基于锁相环的FSK数据收发传输系统实现研究.doc

目 录摘 要 IABSTRACT II目 录 III第1章 绪论 11.1 课题研究的背景和意义 11.2 国内外的研究水平 21.3 本文的重要研究内容及章节安排 2第2章 系统理论分析及总体设计方案 42.1 二进制频移键控 42.1.1 基本原理 42.1.2 FSK信号产生措施 42.1.3 FSK信号的解调措施 52.2 锁相环 72.2.1 锁相环路的工作原理 72.2.2 锁相环路的构成部分 72.2.3 锁相环路的基本方程 92.2.4 锁相调频电路 102.3 系统总体方案设计 112.3.1 发射机方案设计 112.3.2 接受机方案设计 112.4 本章小结 12第3章 系统的硬件设计 133.1 发射机硬件设计 133.1.1 锁相频率源设计 133.1.2 功率放大电路 183.1.3 天线 183.1.4 STM32最小系统电路设计 193.1.5 DAC和模拟开关 213.1.6 发射机总体框图 233.2 接受机硬件设计 233.2.1 低噪放大电路 233.2.2 混频器电路 243.2.3 窄带FSK接受机设计 263.2.4 比较器 273.2.5 接受机总体框图· 283.3 本章小结 28第4章 系统的软件设计 294.1 STM32开发方式简介 294.2 STM32实现系统整体控制的流程 304.3 STM32实现对锁相环ADF4001的控制 304.4 STM32实现对DAC模块的控制 324.5 STM32产生脉冲宽度调制信号 334.6 本章小结 34第5章 系统测试 355.1 FSK发射机测试 355.1.1 锁相环测试 355.1.2 DA输出电压与压控振荡器输出频率测试 355.1.3 STM32生成脉宽可调的数字基带信号 365.2 FSK接受机测试 375.2.1 混频器测试 375.2.2 接受机输出测试 375.3 本章小结 39结 论 40参照文献 41道谢 42第1章 绪论1.1 课题研究的背景和意义随着网络和各类移动终端普及，数字通信在不同的通信业务中得到了广泛的应用。

的传播方式有和两种实际中的大多数信道并不能直接用于基带信号的传播，因素是基带信号在传播过程中往往随着着丰富的低频分量为了使可以在中完毕信息传递，需要运用对系统载波进行能对进行的措施有两种：（1）通过实现的调制，即把当成的一种特例，把当作的特殊状况进行解决；（2）运用的特点通过开关电路载波频率值的大小这种措施一般称为法，通过这种措施对载波的、和分别进行键控，便可获得键控（PSK）、键控（ASK）和键控（FSK）而对于数字通信系统的接受端，要想恢复出，可采用和非两种解调方式由于FSK信号产生措施简朴、易于实现，且在解调过程中可以不恢复本地载波，和性能也较强因此，FSK技术在通信行业得到了广泛地应用实现FSK信号的调制解调的方式诸多，国外有关芯片厂商已经生产出专门用于FSK信号的产生和解调的单片集成芯片通过研究，本文以锁相环（PLL）为核心完毕FSK信号产生，即传播系统的发射机部分；以单片集成解调芯片完毕FSK信号的解调部分，用比较器电路恢复FSK的数字基带信号其特点是，运用较少的电路元器件和较简朴的硬件电路来完毕FSK信号发射接受传播系统是运用的变化来传递数字消息在2FSK中，随二进制在和两个频率点间变化。

在FSK信号的已调波形中，若二进制数字1相应于载频，则数字0相应于载频从原理上讲，产生FSK信号的措施有两种：其一是通过模拟调频电路来实现；其二可以采用键控法来实现模拟调频法是运用基带信号直接控制模拟电路输出信号频率的大小来产生FSK信号；键控法则是通过二进制信号来控制开关电路，通过开关电路对信号频率值大小不同的两个独立进行选通，进而产生FSK信号本文基于模拟调频电路产生FSK信号 (phase-locked loop)是无线发射系统中能提供稳定信号的一种电路锁相环是由、和三个模块电路构成的相位负反馈系统的本质是通过对相位的比较去控制VCO输出端频率的大小压控振荡器输出端信号分为两部分：其一作为锁相环输出，产生实验人员所需的频率信号；其二通过前置分频器与锁相环参照频率源产生的本振信号作相位比较，看两者与否有相位差通过 VCO输出端信号相位和参照相位比较，若相位差存在，锁相环鉴相器的输出端电压大小发生变化，控制 VCO输出信号频率值大小发生变化，直到相位差恢复，达到锁频的目的本文通过锁相环产生系统所需FSK信号的载波频率本课题的目的是通过制作FSK数据收发传播系统，进一步理解FSK信号和锁相环的理论知识。

基于对FSK信号和锁相环理论知识的理解，解决在系统硬件制作和软件编写调试过程中遇到的问题，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力1.2 国内外的研究水平在通信数字化的今天，网络和各类终端之间的通信是通过二进制代码进行数据传播的 然而，二进制基带信号并不能直接通过网络电缆、光纤或者无线媒介进行传播，需用频移键控原理把二进制基带信号调制为中心频率较高的 FSK信号，然后 FSK信号通过信道完毕二进制数据在网络间信息传播接受端通过将接受到的 FSK信号解调成二进制数据，通过相应转换将变成用计算机所能辨认的，最后完毕网络和各类终端之间的数字通信由于计算机、等通讯设备在人们生活中的普及，人们对信息在终端之间传播的规定越来越高信息传播的速率、对的性、及时性等都需要满足人们的使用需要为了提前完毕人类对信息交流所需要满足的技术条件，科研人员对FSK信号和其她数字调制技术进行了进一步研究通过对顾客需求的不断满足，增进了人类通信技术的发展，也间接推动了社会的进步国内外对FSK信号的研究都到了一种较为成熟的阶段运用FSK技术进行数字信号的传递，在若干年前就已实现在数字通信系统中，由于FSK信号的简朴易行，FSK信号已成为科研人员研究其她数字调制技术的理论基本。

1.3 本文的重要研究内容及章节安排本文重要研究内容有如下两部分，其一是制作一套基于锁相环的FSK信号的发射系统，其二是以集成芯片HA12413为核心制作接受系统来验证发射系统的对的性锁相环部分规定用鉴频器ADF4001和压控振荡器MC12148制作，接受机用解调芯片HA12413和运算放大器LM339制作，其他电路可选择有关电路器件进行自主设计研究开始时要对FSK调制解调原理和锁相环原理进行理论分析，在进一步理解有关理论的基本上，进行硬件部分的设计工作硬件部分结合微解决器STM32完毕数字信号的调制，运用DA产生模拟电压控制压控振荡器，运用按键完毕对FSK信号中心频率的键控文章最后会对系统的性能和各个模块的指标进行具体的测试本文的技术指标规定如下：1、设计一种中心频率在20-30MHz范畴内可设立（频率步进值为0.25MHz）、频偏±15kHz的窄带FSK发射机；2、使用单片接受机芯片HA12413设计一种FSK接受机验证FSK发射机设计的对的性；3、提交可演示工作原理的原型系统，完毕现场实物演示；4、完毕设计论文文章各章节的具体安排如下：第二章对FSK信号收发传播系统进行原理分析具体涉及FSK信号的调制原理和有关的解调措施；锁相环的形成原理，理论分析和设计指标；锁相环在发射机调制系统的应用方式。

并在本章节拟定课题的总体设计方案第三章对FSK信号收发传播系统的硬件设计进行论述其中发射机部分涉及锁相环模块、功率放大模块、DA模块、单片机STM32最小系统和按键、模拟开关等外围电路；接受机部分涉及低噪放大模块、混频器模块、解调芯片HA12413及其外围电路第四章对发射机的软件设计进行论述既STM32解决器对发射机部分的整体控制，具体涉及对锁相环产生频率值的控制和输入设备的控制，此外运用STM32解决器控制DA产生模拟电压和生成数字调制信号第五章对FSK信号收发传播系统的测试进行论述在理论分析的基本上，对各级模块进行系统测试，通过理论分析的成果和硬件测试的成果进行对比，给出最后成果第2章 系统理论分析及总体设计方案2.1 二进制频移键控2.1.1 基本原理频移键控是通过数字基带信号来控制载波频率，通过载波频率的大小来反映数字信息的在频移键控中，载波的频率值大小随二进制基带信号在和两个频率值之间跳变其体现式见式（2-1） （2-1）发送“1”时，发送“0”时典型波形如图2.1所示图2.1 2FSK信号的时间波形由图2.1，FSK信号理论上可以看作载波频率不同的ASK信号的叠加，FSK信号的时域体现式（2-2）（2-2）由式（2-2）：g(t)为基带矩形脉冲信号，脉宽为，和分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位。

由于和在FSK信号中不携带数字基带信号的任何信息，和在理论计算中置零因此，2FSK信号的体现式可以简化为式（2-3） （2-3）2.1.2 FSK信号产生措施FSK信号的重要通过两种方式生成：其一是通过模拟调频电路由基带信号控制VCO直接产生，如图2.2所示图2.2 调频法产生2FSK信号其二是通过键控法来实现，即用数字基带信号控制开关电路的开通和闭合，通过开关电路的状态，使两个独立频率源在不同步刻通过开关电路，保证在基带信号一种码元期间，系统输出载波频率或，如图2.3所示FSK信号图2.3 键控法产生FSK信号上述两种措施产生的FSK信号，两者之间的差别如下：由模拟调频电路生成的FSK信号在相邻码元之间的相位是持续的，这是一类特殊的FSK信号，称之为持续相位FSK信号；而键控法产生的FSK信号，是由不同的频率源在时序上分别通过开关电路形成的，故在基带信号相邻码元之间，FSK信号相位不持续2.1.3 FSK信号的解调措施FSK信号常用的解调措施有如图2.4所示的相干解调和图2.5非相干解调两种其原理是将FSK信号通过两个不同频点的带通滤波器，将FSK信号分解成两路ASK信号，各自进行解调后，再进行抽样判决。

通过比较两路解调信号抽样值的大小，即抽样判决，恢复出数字基带信号进行抽样判决时，判决规则要相应系统数字基带信号调制时的具体状况若载波频率相应二进制数字1，则解调框图上路判决为1；若载波频率相应二进制数字1，则解调框图下路判决为1图2.4 相干解调图2.5 非相干解调除上述简介的措施外，FSK信号解调尚有其她方式下面简介FSK信号的此外三种解调方式：1、 鉴频法用鉴频法解调FSK信号时，一方面信号要通过带通滤波器滤除其她频点的干扰信号，再通过中放电路和鉴频回路完毕信号的解调鉴频法解调FSK信号的核心就是鉴频回路，通过鉴频回路，系统把FSK信号的上下频点变成两种电压信号，电压信号经低通滤波电路和比较器电路整合后，就能得到系统调制前的基带数字信号2、 差分检测法差分检测法的原理是通过对FSK信号与其延迟后的信号比较，通过比较信号之间的相位差值恢复数字基带信号的当FSK信号通过系统有严重的延迟失真时，由于失真同步影响相邻码元的信号，不影响比较成果，系统解调时可采用差分检测法；当系统信号失真不严重时，鉴频法解调效果较为抱负3、过零检测法 过零检测法的原理是通过检测过码元内零点数目的多少，用来辨别两个不同频率的信号。

FSK信号在单位时间内过零点数和载波频率的大小有关，通过检测FSK信号的过零点数可以反映信号载波频率的大小FSK信号通过系统限幅电路后产生脉冲序列，脉冲序列经微分和整流电路形成脉冲序列，即为。